Topologisches Engineering von ultrastarken Gläsern

Das Schwerpunktprogramm 1594Externer Link der Deutschen Forschungsgemeinschaft soll die wissenschaftlichen Grundlagen für das ab initio "Topological Engineering" von anorganischen oxidischen und metallischen Gläsern mit verbesserten mechanischen Eigenschaften schaffen, wobei der Begriff "Topological Engineering" als ein Bottom-up-Ansatz zur Gewinnung und Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Werkzeuge für das Design von Gläsern definiert wird. Die topologische Skala umfasst in diesem Zusammenhang die kurz- und mittelfristige Strukturarchitektur.

Zu den Werkzeugen gehören z. B. Potenziale und räumliche Beziehungen zwischen den Bestandteilen auf atomarer Ebene, das generische Design einer spezifischen kurz- und mittelfristigen Topologie, die Packungsdichte, molekulare Wechselwirkungen an Oberflächen und deren Auswirkungen auf meso- und makroskalige Prozesse unter mechanischer Belastung.

Der konsequente Multi-Material-Ansatz (metallische und oxidische Gläser) ergibt sich aus der Ähnlichkeit der topologischen Überlegungen und den erwarteten Synergien zwischen potentiellen Vorspannmechanismen und Designstrategien. "Verbesserung der mechanischen Eigenschaften" bezieht sich auf die Demonstration eines in der betrachteten Werkstoffklasse bisher unübertroffenen Profils mechanischer Eigenschaften auf der Grundlage dieser generischen Designstrategien, insbesondere auf die verallgemeinerte Demonstration der GPa-Glasfestigkeit.

Es werden zwei Hauptziele ins Auge gefasst, die, jedes auf seine Weise, die Art und Weise verändern werden, in der die mechanischen Eigenschaften von Gläsern derzeit betrachtet werden. Diese sind:

(a) ein signifikanter Durchbruch im Verständnis der mechanischen Eigenschaften von ungeordneten Festkörpern, der empirische oder halbempirische Ansätze überwindet und somit konkrete physikalische und chemische Werkzeuge für die gezielte Auslegung der Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit von anorganischen und metallischen Gläsern bereitstellt, und

(b) Überwindung des Schritts zu Gläsern mit einer Festigkeit von GPa durch die Demonstration defekttoleranter Materialien und Zähigkeitsstrategien auf der Grundlage eines ab initio-Verständnisses des Zusammenspiels zwischen Spannungsfeldern und Volumen- und Oberflächentopologie - von Festigkeitsniveaus von < 0,01 bis zum 0,05 – bis 0,1-fachen des Youngschen Moduls E.

Das Programm wird von L. Wondraczek koordiniert.